Medindo a radiação VUV de 172 nm de lâmpadas excimer de xenônio

Lâmpadas excimer de xenônio emitem em uma banda estreita no UV a vácuo, em torno de 172 nm. Medir essa radiação difere fundamentalmente da radiometria clássica de UVA, UVB ou UVC, pois o VUV é fortemente absorvido em trajetos de ar muito curtos. Distância de medição, atmosfera, material da janela e do detector, bem como a geometria de calibração, tornam-se, portanto, parte do resultado da medição.

Esta página descreve o que é diferente em 172 nm e como configurar uma medição confiável. Os dados técnicos dos instrumentos são apresentados nas respectivas páginas de produto.

Um fóton em 172 nm carrega cerca de 7,2 eV. Isso é suficiente para romper diretamente as ligações C–C, C–H e C–O. Portanto, a radiação atua sobre as moléculas imediatamente, e não, como em 254 nm, por meio da absorção em ácidos nucleicos: 172 nm é principalmente fotoquímico, 254 nm é principalmente fotobiológico. Nenhum fotoiniciador é necessário.

A segunda propriedade definidora é a forte absorção no ar. O oxigênio molecular absorve tão fortemente ao redor de 172 nm que um percurso de ar de apenas alguns milímetros já atenua sensivelmente a radiação; em distâncias maiores, praticamente nada chega ao alvo. A energia absorvida separa as moléculas de oxigênio, de modo que oxigênio atômico e ozônio se formam no percurso do feixe e atuam quimicamente por conta própria.

O que parece um obstáculo na medição é o benefício no processo: é justamente o curto alcance e as espécies reativas formadas no percurso do feixe que tornam possíveis a limpeza fina a seco e a ativação de superfícies.

A figura abaixo compara o contínuo de Xe₂* com o espectro de linhas medido de uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão. O contínuo é um modelo centrado em 172 nm com largura total a meia altura (FWHM) de 14 nm; o banco de dados espectral não contém nenhuma medição para a própria faixa VUV.

A excitação ocorre em uma descarga de barreira dielétrica (DBD): o xenônio, a uma pressão próxima da atmosférica, fica em um espaço de poucos milímetros entre eletrodos revestidos com quartzo, vidro ou cerâmica, acionados com alta tensão na faixa de quilohertz. A descarga não é um plasma estável, mas um grande número de microdescargas de curta duração, com duração de poucos a várias centenas de nanossegundos, que preenchem rapidamente o volume de gás. O dielétrico limita a corrente, encerra cada microdescarga por si só e evita a transição para um arco térmico – o gás permanece à temperatura ambiente (Falkenstein, Ushio).

No gás, o impacto de elétrons produz primeiro átomos de xenônio excitados. Em uma reação de três corpos com dois átomos de xenônio no estado fundamental, estes formam o excímero Xe₂*. Como esse canal de formação é uma colisão de três corpos, a alta pressão de operação, próxima da atmosférica, é necessária desde o início.

O ponto decisivo é o estado fundamental do dímero: ele é repulsivo, ou apenas muito fracamente ligado, e, portanto, termicamente instável. A molécula se dissocia imediatamente após a emissão, de modo que não existe absorvedor para sua própria radiação. O resultado é um contínuo em torno de 172 nm, livre de autoabsorção, com uma largura total a meia altura (FWHM) de aproximadamente 14 nm (Fraunhofer IFAM, em alemão). É exatamente nesse ponto que ela se diferencia da lâmpada de mercúrio, cujas linhas de ressonância são repetidamente reabsorvidas no plasma e cuja saída, portanto, depende da temperatura da parede.

As propriedades práticas decorrem dessa física: até 40 % da potência elétrica é convertida em radiação VUV utilizável, o campo de radiação é muito homogêneo, as peças irradiadas praticamente não aquecem, a lâmpada pode ser ligada e desligada instantaneamente sem fase de aquecimento, e opera sem mercúrio.

O princípio de excitação é mais antigo que a lâmpada de vapor de mercúrio. Em 1855, Theodose du Moncel relatou um arranjo de eletrodos planares recoberto com vidro e separado por uma pequena lacuna de gás; em 1857, Werner von Siemens descreveu o gerador de ozônio cilíndrico com eletrodos de folha de estanho e vidro como dielétrico – a descarga por barreira dielétrica na forma ainda hoje usual (revisão da história da DBD).

A emissão de excímeros a partir de gases nobres foi inicialmente utilizada na tecnologia de lasers nas décadas de 1970 e 1980. Somente quando Ulrich Kogelschatz e Baldur Eliasson estabeleceram a DBD como uma forma eficiente de excitar fontes de excímero incoerentes é que a lâmpada de excímero surgiu como fonte por direito próprio. As lâmpadas industriais de excímero de xenônio de 172 nm apareceram na década de 1990 e rapidamente encontraram seu caminho na limpeza de semicondutores e na ativação de superfícies.

A cronologia é notável: o princípio remonta a meados do século 19, enquanto o uso industrial como fonte de radiação para processos de superfície começa cerca de 140 anos depois.

O uso mais difundido é a limpeza fina a seco de superfícies: os hidrocarbonetos são cindidos fotoliticamente e oxidados a dióxido de carbono e água pelo oxigênio atômico e pelo ozônio formados no caminho do feixe – sem solventes e sem ataque mecânico. Diretamente relacionada está a ativação de superfícies antes da colagem, pintura, wire bonding e revestimento, incluindo a ativação de polímeros; ela é realizada em linha ou como processo em batelada, ao ar ou em atmosfera de nitrogênio.

Na fabricação de semicondutores e eletrônicos, a radiação de 172 nm é usada para a limpeza de wafers e máscaras, para a remoção de resíduos de fotorresiste e adsorvatos e para melhorar a molhabilidade; tarefas semelhantes surgem na produção de componentes ópticos de precisão e na tecnologia de displays. Fotoquimicamente, também é possível formar camadas em baixa temperatura, por exemplo camadas de barreira de SiOₓ a partir de polissilazanas. No tratamento de água e ar de exaustão, a radiação VUV é usada para gerar radicais OH.

O que todas as aplicações têm em comum é a dependência da distância e da atmosfera. Como a absorção no ar limita a distância de trabalho utilizável a poucos milímetros, a geometria do processo, a purga e o tempo de irradiação não são condições de contorno, mas sim os parâmetros reais do processo – e justamente por isso também precisam ser medidos e documentados.

O oxigênio absorve fortemente em torno de 172 nm. Um percurso de ar de apenas alguns milímetros já atenua a radiação de forma perceptível; ao longo de distâncias maiores, praticamente nada chega ao detector. A energia absorvida dissocia as moléculas de oxigênio, de modo que ozônio adicionalmente se forma ao longo do percurso do feixe, o qual, por sua vez, absorve na faixa UVC e altera as condições ao longo do tempo.

A consequência prática: uma medição em 172 nm só é reprodutível se a distância e a atmosfera ao longo do percurso do feixe forem definidas e documentadas. Distâncias de medição muito curtas, uma purga com nitrogênio ou uma configuração evacuada são práticas comuns. Em 172 nm, uma leitura sem a distância e a atmosfera informadas não pode ser interpretada.

• Atmosfera no caminho do feixe. Ar, nitrogênio purgado ou vácuo levam a leituras claramente diferentes. A taxa de purga e a concentração residual de oxigênio devem constar no registro da medição.
• Distância de medição. Devido à forte absorção, a distância importa muito mais do que apenas a lei do inverso do quadrado sugeriria. A distância precisa se referir ao plano real do processo.
• Material da janela. A sílica fundida comum já absorve fortemente em 172 nm. Em vez disso, são utilizados materiais com transmissão suficiente no VUV, como fluoreto de magnésio ou fluoreto de cálcio; a sílica fundida sintética de alta pureza apenas até cerca de 160 nm.
• Detector e envelhecimento. Detectores solar-blind evitam a sensibilidade cruzada a comprimentos de onda mais longos. Janelas e detectores envelhecem sob carga de VUV, portanto são recomendáveis intervalos curtos de recalibração.
• Contaminação. Depósitos orgânicos nas janelas são decompostos de forma particularmente eficaz no VUV, mas até que isso ocorra, eles alteram a transmissão. O estado de limpeza e as horas de operação devem ser considerados na avaliação.

Para uma medição confiável, todo o percurso da fonte até o detector é definido: distância, atmosfera, aberturas, material da janela e tipo de detector. Essa definição faz parte do procedimento de medição e deve ser reproduzida em cada repetição, caso contrário os valores não são comparáveis.

A rastreabilidade metrológica na faixa de VUV é mais exigente do que nas faixas UVA ou UVC. Se um processo depende de leituras de VUV, é recomendável realizar uma medição sob contrato em condições definidas no laboratório UV; a calibração e a rastreabilidade metrológica são descritas pelo laboratório de calibração acreditado.

Para medição de dose em fontes de excimer de xenônio, está disponível o tinyTracker 172 nm; ele registra a exposição radiante diretamente no plano do processo. Para questões espectrais fora do VUV, o SR900 é adequado em laboratório, embora não cubra a faixa VUV em torno de 172 nm.

Os campos típicos para irradiação a 172 nm e sua medição são limpeza e ativação de superfícies, fabricação de semicondutores e eletrônicos e a produção de componentes ópticos de precisão.

Dr.-Ing. Mark Paravia é o diretor-gerente da Opsytec Dr. Gröbel GmbH em Ettlingen e chefia o laboratório de calibração credenciado. Após sua pesquisa sobre descargas de excímero de xenônio pulsado no Institute of Lighting Technology do KIT, seu foco atual é a medição de radiação óptica. Ele é vice-presidente do comitê de normas DIN FNL 7 "Optical radiation" e membro do grupo de projeto da DVGW sobre desinfecção UV.